Forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har utformat en ny, organiskt katodmaterial för litiumbatterier. Med svavel i centrum, materialet är mer energitätt, kostnadseffektiv, och miljövänligt än traditionella katodmaterial i litiumbatterier. Forskningen publicerades i Avancerade energimaterial den 10 april, 2019.

Optimera katodmaterial

Från smartphones till elfordon, den teknik som har blivit central i vardagen körs på litiumbatterier. Och när efterfrågan på dessa produkter fortsätter att öka, forskare undersöker hur man optimerar katodmaterial för att förbättra den totala prestandan för litiumbatterisystem.

"Kommersiella litiumjonbatterier används i små elektroniska enheter, men för att rymma långa körområden för elfordon, deras energitäthet måste vara högre, "sa Zulipiya Shadike, en forskningsassistent i Brookhaven's Chemistry Division och huvudförfattaren till forskningen. "Vi försöker utveckla nya batterisystem med hög energitäthet och stabil prestanda."

Förutom att lösa energisituationerna för batterisystem, forskare på Brookhaven undersöker mer hållbara batterimaterialdesigner. På jakt efter ett hållbart katodmaterial som också kan ge en hög energitäthet, forskarna valde svavel, ett säkert och rikligt inslag.

"Svavel kan bilda många bindningar, vilket innebär att det kan hålla på mer litium och därför ha en större energitäthet, "sa medförfattaren Adrian Hunt, en forskare vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility på Brookhaven. "Svavel är också lättare än traditionella element i katodmaterial, så om du gör ett batteri av svavel, batteriet i sig skulle vara lättare och bilen den kör på kan köra vidare på samma laddning. "

När du designar det nya katodmaterialet, forskarna valde en organodisulfidförening som bara består av element som kol, väte, svavel, och syre - inte de tungmetaller som finns i typiska litiumbatterier, som är mindre miljövänliga. Men medan svavelbatterier kan vara säkrare och mer energitäta, de presenterar andra utmaningar.

"När ett batteri laddas eller laddas ur, svavel kan bilda en oönskad förening som löses upp i elektrolyten och diffunderar genom batteriet, orsakar en negativ reaktion, "Shadike sa." Vi försökte stabilisera svavel genom att designa ett katodmaterial där svavelatomer fästes till en organisk ryggrad. "

Röntgenbilder avslöjar detaljerna

När forskarna i Brookhaven's Chemistry Division utformade och syntetiserade det nya materialet, de tog det sedan till NSLS-II för att bättre förstå dess laddningsurladdningsmekanism. Använda NSLS-II:s ultraljusröntgen vid två olika experimentstationer, röntgenstrålepulverdiffraktionen (XPD) och in situ och Operando mjuk röntgenspektroskopi (IOS) strållinje, forskarna kunde avgöra hur specifika element i katodmaterialet bidrog till dess prestanda.

"Det kan vara svårt att studera organiska batterimaterial med hjälp av synkrotronljuskällor eftersom, jämfört med tungmetaller, organiska föreningar är lättare och deras atomer är mindre ordnade, så de producerar svaga data, "sa Sanjit Ghose, ledande forskare vid XPD och en medförfattare på pappret. "Lyckligtvis, vi har mycket högt flöde och hög energi röntgenstrålar vid NSLS-II som gör att vi kan '' se '' överflöd och aktivitet av varje element i ett material, inklusive tändare, mindre ordnade organiska element. "

Ghose tillade, "Våra kollegor på kemiavdelningen designade och syntetiserade katodmaterialet enligt den teoretiskt förutsagda strukturen. Till vår förvåning, våra experimentella observationer matchade exakt den teoretiskt drivna strukturen. "

Iradwikanari Waluyo, ledande forskare vid IOS och en medförfattare på tidningen, sa, "Vi använde mjuka röntgenstrålar vid IOS för att direkt undersöka syreatomen i ryggraden och studera dess elektroniska struktur, före och efter laddning och urladdning av batteriet. Vi bekräftade att karbonylgruppen-som har en dubbelbindning mellan en kolatom och en syreatom-inte bara spelar en stor roll för att förbättra batteriets snabbladdningsförmåga utan ger också extra kapacitet. "

Resultaten från NSLS-II och ytterligare experiment på den kanadensiska ljuskällan gjorde det möjligt för forskarna att framgångsrikt bekräfta batteriets laddningsurladdningskapacitet från svavelatomerna. Forskarna säger att denna studie ger en ny strategi för att förbättra prestanda för svavelbaserade katoder för högpresterande litiumbatterier.